斜拉索風雨振動及制振措施的風洞試驗研究

李明水,何向東

(西南交通大學風工程試驗研究中心,成都 610031)

0 引 言

自上世紀80年代以來,關于斜拉索風雨振動(即雨振)致振機理及制振措施的研究,日益成為橋梁風工程界所關注的熱點之一。目前對風雨振動的發(fā)生條件已基本達成以下共識：(1)天氣條件：中等雨量、風速約10～20m/s,風向與橋軸線有一定夾角;(2)表面條件：拉索表面有一定程度的污染;(3)結(jié)構(gòu)條件：索的固有頻率在0.3～3.0Hz范圍[1,3]。

斜拉索雨振發(fā)生機理十分復雜,盡管實際斜拉索三維雨振的分析模型至今尚在探索完善之中,但基于模擬定常氣動力的、斜拉索節(jié)段模型二自由度雨振分析模型,基本揭示了節(jié)段模型的雨振機理,其分析與試驗結(jié)果也基本吻合[9]。至于對實橋斜拉索雨振的抑制,目前主要采用結(jié)構(gòu)措施或氣動措施。結(jié)構(gòu)措施旨在提高索的剛度或阻尼,常用方法是在索面內(nèi)增設輔助索或在索的下端部安裝阻尼器;氣動措施則通過優(yōu)化其氣動外形,如在表面增加螺旋肋條或壓花,使之具有良好的空氣動力特性,從而達到良好的雨振抑振效果。值得注意的是,采用氣動措施后,有可能導致橋梁設計風速下、斜拉索的阻力系數(shù)有所增加,因此在選用時應綜合考慮索的風雨振動與風荷載兩方面的因素[7-8]。

鑒于斜拉索雨振的復雜性,目前,相應氣動措施的開發(fā)、研究仍主要依賴風洞試驗[3,11]。

筆者通過對3種不同直徑的光面索、螺旋肋條索及壓花索節(jié)段模型的雨振試驗,首先,在試驗條件下有效地再現(xiàn)了光面索的雨振現(xiàn)象,其雨振特性與二自由度雨振模型的分析結(jié)果一致;然后,通過一系列對比試驗,詳細考察、比較了螺旋肋條、表面壓花及附加阻尼等措施的實際減振效果。

1 試驗模型及設備

由于雷諾數(shù)對圓柱體的氣動性能影響很大,故該試驗采用1∶1幾何縮尺比的全尺寸模型。

模型由專業(yè)纜索生產(chǎn)商提供,其不銹鋼薄壁圓管外覆的灰白色HPDE材料與實際斜拉索相同。

模型直徑分別為139、158及169mm,長度均為2.72m,兩端各有一段長300mm的假模型,以減小端部效應的影響[5]。

壓花索模型由光面索在其表面按預設壓花布局方案沖壓而成。

螺旋肋條索的肋條寬2mm,高度分別為2、4及6mm,由PE板數(shù)碼刻制,然后以0.9m 的螺距、按三螺旋形式粘貼于光面索的表面。

圖1為橢圓壓花分布示意圖。

圖1 橢圓壓花分布示意圖Fig.1 Sketch of elliptical dimpled pattern

表1具體列出了模型采用的幾種壓花參數(shù)。

表1 壓花參數(shù)Table 1 Parameters of elliptical dimpled pattern

為模擬斜拉索表面的自然污染條件,雨振試驗前,需將各節(jié)段模型置于專門設計的、燃燒重油與松枝的煙熏裝置上3～5h,以在其表面形成一層分布比較均勻的、抗水的污染層。試驗結(jié)果表明,該污染層有利于在模型表面形成穩(wěn)定的上水路[3,10]。

Scruton數(shù)是表征斜拉索風雨振動敏感性的一個重要參數(shù),其定義為：

其中,m是單位長度質(zhì)量,ζ是臨界阻尼比,ρ是空氣密度,D是索的直徑。為使模型易于發(fā)生風雨振動,模型系統(tǒng)的Scruton數(shù)通常比實際的偏小。

模型系統(tǒng)的主要動力參數(shù)見表2。

試驗在XNJD-2下吹式雨振風洞進行,該風洞出口截面為1.34m×1.54m,風速范圍為1～22m/s。節(jié)段模型由4根足夠長的線性彈簧懸掛于模型支架上,支架位于風洞射流段,由模型的懸掛長度可調(diào)整其水平傾角α,而模型風向偏角β則通過轉(zhuǎn)動支架底盤調(diào)節(jié)。

表2 模型系統(tǒng)的動力參數(shù)Table 2 Dynamic parameters of model system

在模型高、低兩端,各與上側(cè)的懸掛彈簧串聯(lián)一個弓形力傳感器,其動態(tài)信號由動態(tài)信號采集與處理系統(tǒng)CRAS5.0采集,通過傳感器標定系數(shù)可將所拾得的力信號轉(zhuǎn)化為位移信號。模型中點的位移時程可由上、下兩個力傳感器所測得的時程平均而得,從而得出位移時程的均方根值(RMS)、最大振幅(Amax)及時程功率譜。

模型的動態(tài)位移同時還由三維攝像頭圖像采集系統(tǒng)進行測量,作為輔助手段用于校準力傳感器的測量精度。該系統(tǒng)使用了三個正交視頻攝像機,動態(tài)識別頻率達150Hz[6-7]。

在風洞試驗段出口處的正上方,安裝有6個可自由調(diào)節(jié)方向及出水方式的噴嘴,以模擬自然降雨,雨量大小通過調(diào)節(jié)來流的壓力大小控制。由于上水路的形成及環(huán)向振動是斜拉索發(fā)生雨振的重要前提,同時節(jié)段模型因長度所限,其表面雨水的匯聚區(qū)長度明顯較實際斜拉索的短,故試驗模擬雨量的調(diào)整,以在雨振適宜發(fā)生條件下能形成穩(wěn)定的上水路為原則,其大小與實際雨量并無嚴格相似比。

在模型下端,設有油質(zhì)阻尼器,當系統(tǒng)需要附加阻尼時,連接阻尼片于模型中心軸即可,改變阻尼片的大小,即可調(diào)整系統(tǒng)的附加阻尼值。

圖2為XNJD-2雨振試驗風洞及模型支撐系統(tǒng)。

圖2 XNJD-2雨振試驗風洞及模型支撐系統(tǒng)Fig.2 Wind tunnel and model system

2 試驗方法

為在試驗條件下首先重現(xiàn)光面索的雨振現(xiàn)象,然后在該臨界狀態(tài)下,進一步考察氣動措施及附加阻尼的制振效果,試驗按以下步驟進行：

首先,進行光面索模型的引導性試驗,以找出各直徑光面索出現(xiàn)最大雨振振幅的臨界風速及風向角βcr,此時模型系統(tǒng)未附加阻尼,固有阻尼比約為0.1%。對于直徑分別為139、158及169mm光面索,其水平傾角α分別固定為 30°、20°及21°。降雨量分別固定為 85、65及85mm/h,而風向角β則在 25°～65°之間,以5°的增量漸變。試驗風速范圍5～20m/s,根據(jù)需要,風速增量分別取 0.2、0.5及1.0m/s。以上試驗條件均與文獻報道實際斜拉索雨振發(fā)生的條件接近,以保證模型雨振的發(fā)生。

繼而在上述臨界風速及βcr下,進行光面索的檢驗試驗,以確定發(fā)生最大雨振振幅的臨界降雨量。試驗雨量調(diào)節(jié)范圍為1～180mm/h,增量根據(jù)需要分別取為 4、10、20mm/h 。

其次,在各光面索發(fā)生典型雨振的臨界條件下,通過附加阻尼,分別在阻尼比增至0.3%、0.6%和1.0%的條件進行對比試驗,以考察附設阻尼的制振效果。

再次,在各光面索發(fā)生典型雨振的臨界條件下,換成相應的螺旋肋條索、橢圓壓花索進行對比試驗,以考察螺旋肋條、橢圓壓花的制振效果。

最后,對于仍有雨振發(fā)生的螺旋肋條索或橢圓壓花索,在阻尼比分別增加至0.3%、0.6%和1.0%的條件進行對比試驗,以考察附設阻尼對螺旋肋條索與橢圓壓花索制振效果的影響。

在上述每一工況下,最小的試驗持續(xù)時間均固定為10min。其中,前8min確保模型雨振的充分發(fā)展,后2min用來數(shù)據(jù)采集。CRAS采集頻率為12.8Hz,采樣時間為80s。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 風雨振動的確認

風、雨或兩者聯(lián)合作用可引起的斜拉索風致振動現(xiàn)象包括抖振、渦激振動(共振)、雨振及參數(shù)振動。抖振和參數(shù)振動可容易地從它們的物理過程區(qū)別開來。而渦激振動和雨振之間,最大不同在于起振風速或臨界風速的范圍各異。

對于圓截面的拉索,渦激振動的起振風速由Strouhal決定[7,9],其定義為：

式中,f為振動頻率,U為來流風速,D為索的直徑。

由于斜拉索直徑相對與主梁斷面而言通常較小,其發(fā)生風致振動時雷諾數(shù)一般約在300～5×105的范圍內(nèi)。在此范圍內(nèi),圓截面的Strouhal數(shù)為0.2,因此,對于該研究的3種直徑的斜拉索來說,渦激振動的起振風速較小,即：

顯然,在該試驗風速范圍內(nèi),如果斜拉索節(jié)段模型發(fā)生了大振幅的風致振動,則該振動不會是通常意義上的渦激振動。

圖3為由試驗所得的直徑158mm光面索在α=20°、β=40°、試驗風速為 9m/s時的典型雨振時程及功率譜。從圖中可以看出：振動幾乎是等振幅的,且其振動頻率與模型系統(tǒng)的固有頻率非常接近,具有風雨振動的典型特性。

圖4為該模型在此姿態(tài)角下最大單邊振幅及位移均方值RMS隨風速的變化。在發(fā)生雨振的風速范圍內(nèi)(7～10m/s),Amax與RMS值的大小幾乎保持同步變化,而在此風速范圍之外,二者的相關性明顯減小,表明此時模型振動的隨機性增強。

圖3與4所顯示的斜拉索節(jié)段模型振動的限速(發(fā)振風速區(qū)有限)、限幅(振幅有限而非發(fā)散)特性,與文獻報道的實橋斜拉索雨振特性及2DOF雨振模型分析結(jié)果相一致[1,9]。

圖4 光面索最大位移及均方根值隨風速的變化Fig.4 Maximum response and RMS of RWIV vs wind speed

由以上分析可以看出：如果在試驗中,模型發(fā)生了振幅很大的諧振現(xiàn)象,而且同時存在風和雨的共同作用,即可認定該現(xiàn)象為風雨振動。

3.2 試驗結(jié)果與分析

表3為上述引導及檢驗試驗的結(jié)果,即直徑分別為139、158及169mm的3種光面索、發(fā)生典型雨振時的臨界風向角、風速及降雨量。

表3 光面索模型試驗結(jié)果Table 3 Test results of smooth model

在表3所提供的臨界狀態(tài)下,3種直徑光面索分別在0.3%、0.6%及1.0%的阻尼條件下進行對比試驗。試驗結(jié)果表明：

(1)對于直徑139mm的光面索,3種量級的阻尼均具有很好的減振效果,即在試驗風速范圍內(nèi),當模型系統(tǒng)阻尼比達到或超過0.3%,均未發(fā)生明顯的風雨振現(xiàn)象;

(2)對于直徑158mm的光面索,在試驗風速范圍內(nèi),當模型系統(tǒng)阻尼較大時(ζ=0.76%),模型未發(fā)生明顯的雨振;但當阻尼較低時(ζ=0.24%),仍出現(xiàn)了明顯的雨振,但其振幅較無附加阻尼時的結(jié)果減小了約73%;

(3)與直徑158mm光面索類似,直徑169mm光面索,在試驗風速范圍內(nèi),當模型系統(tǒng)阻尼較大時(ζ≥0.67%),模型未發(fā)生明顯的雨振;當系統(tǒng)阻尼較小時(ζ=0.31%),仍出現(xiàn)了明顯的雨振,但其振幅較無附加阻尼的結(jié)果減小了約81%。

由此可知：對于直徑較小的光面索模型,采用較低的附加阻尼即可有效地抑制雨振發(fā)生,但對于直徑較大的索,必須采用更高的附加阻尼才可能達到一定的減振效果。另外,附加阻尼對索的其它風致振動(如抖振)也有一定程度的抑制作用[11]。

同樣在上述臨界狀態(tài)下,采用相應螺旋肋條索及壓花索,在附設阻尼后進行對比試驗,結(jié)果表明：3種直徑的螺旋肋條索均未發(fā)生明顯的雨振;在臨界值附近,即使小范圍調(diào)整風向角與降雨量,仍未觀察到明顯的雨振。故螺旋肋條對斜拉索的雨振具有良好的抑制效果。但值得注意的是,隨著肋條高度的增加,較高風速下索的抖振有所加劇,但在增大系統(tǒng)阻尼后,該類振動也可以得到一定程度的抑制。

采用相應壓花索,仍在上述臨界狀態(tài)下,進行對比雨振試驗,結(jié)果表明：3種直徑的壓花索均未發(fā)生明顯的雨振。在臨界值附近小范圍調(diào)整風向角和降雨量,直徑139和158mm的壓花索均未發(fā)生明顯的雨振。而直徑169mm的壓花索,在風向角β為40°、降雨量為80mm/h時,依然發(fā)生了明顯的雨振,但其振幅較相應光面索的結(jié)果減小了67%,且當阻尼比超過0.3%時,其雨振現(xiàn)象便未重現(xiàn)。很明顯,直徑139mm與直徑158mm壓花索的減振效果優(yōu)于直徑169mm的壓花索。因此,壓花索對雨振的抑制效果,在很大程度上依賴于適當?shù)膲夯ㄐ螤?、深度及覆蓋率,故具體應用于工程實踐前,類似于主梁斷面風洞試驗的氣動選型,也需進行反復的風洞試驗對比研究加以優(yōu)化。

表4列出了3種壓花參數(shù)、直徑169mm的壓花索,在ζ=0.1%條件下,最大雨振位移RMS值的比較。由該表可知：表面覆蓋率和壓花深度對減振效果影響較大。覆蓋率越大,減振效果越好;在相同覆蓋率下,壓花深度越大,減振效果越好。從工程應用意義上講,為達到較好的減振效果,建議橢圓型壓花覆蓋率不小于6%,而單個壓花深度應超過2mm。

表4 壓花參數(shù)對風雨振的影響Table 4 Influence of dimpled parameters

表5比較了水平傾角α對直徑139mm的光面索與壓花索典型雨振的發(fā)振風速及最大振幅的影響。此時模型系統(tǒng)阻尼比ζ=0.1%,風向角均為35°。

由表5可知：隨著水平傾角的增大,光面索雨振的振幅相應增加,發(fā)振風速也有所增大;而壓花索當水平傾角較大時,在試驗風速范圍內(nèi)均未發(fā)生明顯的雨振,但水平傾角減小后,也有微弱的雨振發(fā)生。

表5 水平傾角對雨振的影響Table 5 Influence of αon RWIV

4 結(jié) 論

對比3種直徑斜拉索系列模型在4種阻尼水平下的雨振試驗測試結(jié)果,可得出如下結(jié)論：

(1)風向角、降雨量對斜拉索的雨振特性具有很大影響,不同直徑、水平傾角的索,風雨振動的臨界風向角、降雨量和最大振幅顯著不同;

(2)附加結(jié)構(gòu)阻尼對斜拉索的雨振具有明顯的抑制作用。在實際工程中,為達到預期的減振效果,建議實橋斜拉索的結(jié)構(gòu)阻尼應不低于0.6%;

(3)螺旋肋條和表面壓花兩種氣動措施對斜拉索的雨振均有良好的減振或抑制效果。應用于實際工程時,應綜合考慮其他因素(包括風荷載),選擇合理的抑(減)振措施。

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